健康成人正走和倒走时膝关节生物力学特点(2)

1、健康成人正走和倒走时膝关节生物力学特点(2)2结果2. 1正走和倒走步态时间、空间参数比较如表1所示，与正走相比，倒走时的步速、步频和步幅均显着减小（P2. 2正走和倒走膝关节运动学和动力学参数比较如表2所示，倒走时膝关节屈伸活动范围（range of motion,ROM）显着小于正走（PGRF垂直方向的分力在正走时2个波峰值接近，倒走时的第1波峰较第2波峰大，倒走在支撑相早期峰值比正走时增加26. 5%BW（P如图1（a）所示，倒走的膝关节ROM小于正走，且屈曲角度峰值在倒走支撑相晚期（约50%步态周期）较正走的支撑相早期（约10%步态周期）更小。图1（b）表明，正走和倒走内、外翻角度变化

2、趋势有较大不同。正走时膝关节在负荷反映期内翻角度达峰值，之后逐渐减小，最终在预摆期处于外翻状态。与正走不同，倒走时膝关节在脚尖触地后很短时间内呈现一个较小的外翻角度，之后的支撑相全程维持在内翻状态。由图2（a）可知，两种步态在矢状面上的力矩有较大差异。正走时支撑相早期出现伸膝力矩峰值，而对应的倒走支撑相晚期产生的是屈膝力矩峰值，且倒走支撑相早期伸膝力矩也较正走支撑相晚期伸膝力矩小。在冠状面上，倒走与正走的膝关节内翻力矩曲线在形态变化上相似，但第1峰值正走大于倒走，而第2峰值倒走大于正走见图2（b）.如图3所示，和正走相似，倒走GRF垂直分曲线也是由波峰波谷波峰构成。但倒走时GRF峰值在支撑相早

3、期较正走时大，而在支撑相晚期较正走时小。3讨论正走时的步态由摆动相过渡到支撑相是脚跟着地脚尖离地模式。与正走相反，倒走步态由摆动相过渡到支撑相是脚尖着地脚跟离地模式。然而，倒走并不是简单的正走的逆过程1.本研究发现，自然状态下倒走时的步速明显小于正走，这与Lee等2的研究结果一致，可能是由倒走时人无法看到前进方向的空间情况，通过降低步速来更好维持身体的稳定性。有研究认为，支撑相在步态周期中的占比与运动方向无关1314,该实验结果是在控制受试者正走和倒走速度一致情况下得出。本实验是在志愿者自选步速条件下完成，即正走速度高于倒走速度条件下，获得倒走时支撑相在步态周期中的占比显着大于正走的研究结果，

4、这也符合以往的研究结果，即运动速度越快，则支撑相占步态周期比例越小15.在运动学特征上，发现倒走的膝关节屈伸和内翻外展ROM较正走时减小。有研究表明，与正走不同，倒走时伸膝肌群，如股直肌、股外侧肌等在支撑相的大部分时间里都处于较高的激活状态，故膝关节在支撑相几乎都处于伸膝过程14,16,并导致整个膝关节ROM减小17.实验结果显示，倒走时膝关节支撑相的内翻角变化趋势大致是正走的逆过程，但其变化幅度较正走小。在脚尖触地到负荷反应期（对应于正走的预摆期）的过程中，膝关节迅速由外展过渡到内翻并维持该状态至预摆期，且在触地瞬间，膝关节外展角远小于正走足尖离地时。倒走时，膝关节内翻外展角度的减小可能是软

5、组织和骨的构造限制了膝关节在冠状面上的活动。本研究还发现，正走和倒走时GRF也有较大差异，主要表现在倒走时GRF峰值在支撑相早期较正走时大，而在支撑相晚期较正走时小，这可能是源于倒走时摆动腿急于触地，以维持身体平衡而产生一个较大的冲击力，或者倒走步态改变了足部的发力方式，使GRF峰值增加。倒走的驱动力主要来自踝关节以跟骨为支点产生的推力2,12,由于足部结构的原因，这个推力不会太大，导致倒走时GRF峰值在支撑相晚期较正走时小。Lee等2研究表明，伸膝力矩在倒走支撑相末期会有一个略小于正走支撑相早期的峰值，而本研究发现倒走支撑相末期产生的是屈膝力矩峰值。在上述研究中，他们刻意训练志愿者在倒走时必

6、须足跟离地，并将非足跟离地的数据作为失败试验而剔除。而事实上，赤脚倒走脚离地时，人本能地为维持身体平衡而改变策略，这时候的压力中心更靠近前足，膝关节也较僵直，膝关节屈曲角度峰值在倒走时支撑相末期明显小于正走时支撑相早期（见图1）。压力中心的前移和膝关节角度的变化使得肌肉在倒走支撑末期产生的是屈膝力矩。本研究没有要求受试者一定要准确脚跟离地，故结果更接近于自然状态。在本实验过程中发现，志愿者平衡能力差异比较大，故倒走时脚离地的方式差异也较大，倒走支撑相末期屈伸力矩的标准差较大也证实了这一现象。正走步态中，膝关节在足跟着地瞬间受GRF作用，在其冠状面上产生一个较小的外展力矩后，出现一个数值较大呈双

7、驼峰;形的膝关节内翻力矩，到足尖离地瞬间再次出现一个极小的外展力矩18.内翻力矩取决于GRF的大小和膝关节中心到GRF作用线之间的垂直距离，其作用趋势是推动膝关节内翻，结果是分布到膝关节内侧间室的负荷增加，在步态周期支撑相早期和晚期各出现一个峰值19.本研究显示，倒走与正走的膝关节内翻力矩曲线在形态变化上相似，在支撑相早期和晚期各出现一个波峰，形成双驼峰;曲线（见图2）。膝关节内翻力矩峰值在倒走支撑相早期比正走降低15%,在支撑相晚期比正走增加22%.这是由于倒走支撑相早期膝关节内翻角度较正走时小，力臂减小，结果使膝关节内收力矩减小；而晚期膝关节内翻角度增大，膝关节中心外移和GRF作用线向内侧

8、偏移，使作用力臂增大。虽然此时GRF减小，但是总的结果显示膝关节内翻力矩增大。倒走时膝关节内翻力矩在支撑相早晚期虽然呈现不同大小的峰值，但在整个支撑相上，倒走时的膝关节内翻力矩峰值比正走时减小。Walter等10认为，膝关节矢状面上屈伸力矩的增加将导致膝关节内侧负荷增加，此时即使冠状面上膝关节内翻力矩的降低也不一定能够使膝关节内侧间室总负荷降低。本实验结果显示，倒走时膝关节屈伸角度和力矩相比于正走都有所减小。因此，基于倒走的支撑相早期膝关节在矢状面上和冠状面上的屈伸和内翻力矩较正走时减小的实验结果提示，与正走相比，倒走在支撑相早期能减轻膝关节内侧间室的负荷，而在支撑相晚期对膝关节负荷的影响则尚

9、须进一步研究。本实验存在一些不足之处：首先，受试者均为成年男性，且样本量偏小；其次，膝关节内翻力矩与步行速度有关，而本实验并未控制正走和倒走速度一致；此外，肌肉是运动的原动力，肌肉活动的变化与运动模式的变化息息相关，然而本实验仅研究了倒走时膝关节的运动学和动力学特征。为获得更为面的有关倒走对膝关节力学影响的研究结果，还需进一步扩大样本量、纳入女性志愿者参与实验，并且应该对肌肉活动的变化规律进行探讨，如增加表面肌电信号的检测等。4结语倒走和正走时的膝关节生物力学特征差异明显。在矢状面上，倒走时膝关节ROM和最大屈伸力矩较正走小。在冠状面上，倒走时膝关节内翻外展ROM也较正走小，内翻力矩在整个支撑

10、相上比正走时减小，其峰值在支撑早期较正走时减小，在支撑晚期较正走时偏大。倒走时GRF在支撑早期较正走时大，但在支撑晚期较正走时小。与正走相比，倒走在支撑相早期能减轻膝关节内侧间室的负荷，而在支撑相晚期对膝关节负荷的影响则尚须进一步研究。参考文献：1Hoogkamer W,Meyns P,Duysens J. Steps forward inunderstanding backward gait:From basic circuits to rehabilitationJ. Exerc Sport Sci Rev,2014,42（1）：2329.2Lee M,Kim J,Son J,et al. Kinematic and kinetic analysisduring forward and backward walkingJ. Gait Posture,2013,38（4）：674678.3吕晓梅，赵焕彬，张海涛。健身反向走的生物力学分析J.中国体育科技，2008,44（4）：